1、 1 调焦导向盘侧向冲孔模设计 摘 要 阐述了冲压简单模的结构设计及工作原理。利用靠模板与滑动销钉的相对运动，转换为转盘的旋转运动，从而带动滑块（其上装有冲孔凸模）作径向直线运动，实现将工件的圆周侧面上冲出 4 个互为 90 度的腰形孔，通过冲裁力、顶件力、卸料力等计算，确定模具类型。冲孔凹模采用镶拼结构，废料从凹模的中心漏斗孔漏出。本模具性能可靠，运行平稳，提高了产品质量和生产效率，降低劳动强度和生产成本。 关键词： 冲压；侧向冲孔；简单模；模具结构；冲裁力。 调焦导向盘侧向冲孔模设计 2 第一章 绪 论 1.1 冷冲压与模具设计简介 冲压是通过模具对板材施加压力或拉力 ,使板材塑性成型 ,
2、有时对板材施加剪切力而使板材分离 ,从而获得一定尺寸、形状和性能的一种零件加工方法。由于冲压加工经常在材料冷状态下进行，因此也称冷冲压。冲压加工的原材料一般为板材或带材，故也称板材冲压。冲压加工需要研究冲压工艺与模具两个方面的问题。根据通用的分类方法，冲压工艺可以分为分离工序和成形工序。而分离工序又有落料、冲孔、切断、切边、剖切等工序；成型工序又包括弯曲、卷圆、扭曲、拉深、变薄拉深、翻孔、翻边、拉弯、胀形、起伏、扩口、 缩口、旋压、校形等。 冲压加工作为一个行业，在国民经济的加工业中占有重要的地位。根据统计，冲压件在各个行业中均占相当大的比重，尤其在汽车、电机、仪表、军工、家用电器等方面所占的
3、比重更大。冲压加工的应用范围极广，从精细的电子元件、仪表指针到重型汽车的覆盖件和大梁、高压容器封头以及航天器的蒙皮、机身等均需冲压加工。 冲压件在形状和尺寸精度方面的互换性较好，一般情况下，可以直接满足装配和使用要求。此外，在冲压过程中由于材料经过塑性变形，金属内部组织得到改善，机械强度有所提高，所以，冲压件具有质量轻、刚度好、精度高 和外表光滑、美观等特点。 冲压加工是一种套高生产率的加工方法，如汽车等大型零件每分钟可生产几件，而小零件的高速冲压则每分钟可生产千件以上。由于冲压加工的毛坯是板材或卷材，一般又在冷状态下加工，因此轻易实现机械化和自动化，比较适宜配置机械人而实现无人化生产。特别是
4、适用于定型产品的中大批生产。“冲压要发展，模具是关键”，提高模具的效率需从冲模设计和制造开始。 冲压加工的材料利用率较高，一般可达 70%85%，冲压加工的能耗低，由于冲压生产具有节材、节能和高生产率等特点，所以冲压件呈批量生产时，其成本比较低，经济 效益较高。 综上所术，冲压加工与其他机械加工相比具有以下特点： 1 在压力机的简单冲击下，能得到其他加工方法不能或难以得到的复杂、精度一致的制件。 2 操作简便，劳动强度低，生产效率高，适合批量生产，便于实现机械化和自动化。 3 尺寸稳定，制件精度高，互换性好。 4 材料利用率高，制件重量轻，刚性好、强度高，在批量生产的条件下成本底。 5 在生产
5、过程中，材料表面不易遭受破坏，制件表面质量好，通过塑性变形后，还可以使制件的力学性能有所提高。 当然，冲压加工与其他加工方法一样，也有其自身的局限性，例如，冲模的结构比较复杂，模具价格 偏高。因此，对小批量、多品种生产时采用昂贵的冲模，经济上不合算，目前为了解决这方面的问题，正在努力发展某些简易冲模，如聚氨脂橡胶冲模、低合金冲模以及采用通用组合冲模、钢皮模等，同时也在进行冲压加工中心等新型设备与3 工艺的研究。 采用冲压与焊接或胶接等复合工艺，可以使零件结构更趋合理，加工更加方便，成本更易降低，这是制造复杂形状结构件的发展方向之一。 1.2 冷冲压与模具技术现状 改革开放以来，随着国民经济的高
6、速发展，市场对模具的需求量不断增长。近年来，模具工业一直以 15%左右的增长速度快速发展，模具工业企业的所 有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。浙江宁波和黄岩地区的 “模具之乡 ”；广东一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业，科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心；中外合资和外商独资的模具企业现已有几千家。 随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。而模具制造是整个链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定企
7、业的生存空间。 近年 许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。一些国内模具企业已普及了二维 CAD，并陆续开始使用 UG、 Pro/Engineer、 I-DEAS、Euclid-IS 等国际通用软件，个别厂家还引进了 Moldflow、 C-Flow、 DYNAFORM、 Optris和 MAGMASOFT 等 CAE 软件，并成功应用于冲压模的设计中。 以汽车覆盖件模具为代表的大型冲压模具的制造技术已取得很大进步，东风汽车公司模具厂、一汽模具中心等模具厂家已能生产部分轿车覆盖件模具。此外，许多研究机构和大专院校开 展模具技术的研究和开发。经过多年的努力，
8、在模具 CAD/CAE/CAM技术方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献。 例如，吉林大学汽车覆盖件成型技术所独立研制的汽车覆盖件冲压成型分析KMAS 软件，华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的注塑模、汽车覆盖件模具和级进模 CAD/CAE/CAM 软件，上海交通大学模具 CAD 国家工程研究中心开发的冷冲模和精冲研究中心开发的冷冲模和精冲模 CAD 软件等在国内模具行业拥有不少的用户。 虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目 的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重比较低；CAD/CAE/CAM
9、技术的普及率不高；许多先进的模具技术应用不够广泛等等，致使相当一部分大型、精密、复杂和长寿命模具依赖进口 。 1.3 冲压模具市场情况 我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国发经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大，一些大型、精度、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具，目前仍主要依靠进口。一些低档次的简单冲模， 已趋供过于求，市场竟争激烈。 现将 2004 年我国冲压模具市场情况简介如下： 据中国模具工业协会发布的统计材料， 2004 年我国冲压模具总产出约为 220 亿元，调焦导向盘侧向冲孔模设计 4 其中出口 0.75
10、亿美元 ,约合 6.2 亿元 . 根据我国海关统计资料 ,2004 年我国共进口冲压模具 5.61 亿美联社元 ,约合 46.6亿元 .从上述数字可以得出 2004 年我国冲压模具市场总规模约为 266.6 亿元 .其中国内市场需求为 260.4亿元 ,总供应约为 213.8亿元 ,市场满足率为 82%.在上述供求总体情况中 ,有几个具体情况必须说明 :一是进口模具大部分是技术 含量高的大型精密模具 ,而出口模具大部分是技术含量较低中的中低档模具 ,因此技术含量高的中高档模具市场满足率低于冲压模具总体满足率 ,这些模具的发展已滞后于冲压件生产 ,而技术含量低的中低档模具市场满足率要高于冲压模具
11、市场总体满足率 ;二是由于我国的模具价格要比国际市场低格低许多 ,具有一定的竟争力 ,因此其在国际市场前景看好 ,2005 年冲压模具出口达到 1.46 亿美元 ,比 2004 年增长 94.7%就可说明这一点 ;三是近年来港资、台资、外资企业在我国发展迅速，这些企业中大量的自产自用的冲压模具无确切的统计资料，因此未能计入上 述数字之中。 1.4、未来冲压模具制造技术发展趋势 模具技术的发展应该为适应模具产品 “交货期短 ”、 “精度高 ”、 “质量好 ”、 “价格低 ”的要求服务。达到这一要求急需发展如下几项： (1)全面推广 CAD/CAM/CAE 技术 模具 CAD/CAM/CAE 技术
12、是模具设计制造的发展方向。随着微机软件的发展和进步，普及 CAD/CAM/CAE 技术的条件已基本成熟，各企业将加大 CAD/CAM 技术培训和技术服务的力度；进一步扩大 CAE 技术的应用范围。计算机和网络的发展正使CAD/CAM/CAE 技术跨地区、跨企业、 跨院所地在整个行业中推广成为可能，实现技术资源的重新整合，使虚拟制造成为可能。 (2)高速铣削加工 国外近年来发展的高速铣削加工，大幅度提高了加工效率，并可获得极高的表面光洁度。另外，还可加工高硬度模块，还具有温升低、热变形小等优点。高速铣削加工技术的发展，对汽车、家电行业中大型型腔模具制造注入了新的活力。目前它已向更高的敏捷化、智能
13、化、集成化方向发展。 (3)模具扫描及数字化系统 高速扫描机和模具扫描系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能，大大缩短了模具的在研制制造周期。有些快 速扫描系统，可快速安装在已有的数控铣床及加工中心上，实现快速数据采集、自动生成各种不同数控系统的加工程序、不同格式的 CAD 数据，用于模具制造业的 “逆向工程 ”。模具扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成功应用，相信在 “十五 ”期间将发挥更大的作用。 (4)电火花铣削加工 电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术，这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新技术，它是有高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工 (像
14、数控铣一样 )，因此不再需要制造复杂的成型电极，这显然是电火花成形加工领域的重大发展。国外已有 使用这种技术的机床在模具加工中应用。预计这一技术将得到发展。 (5)提高模具标准化程度 5 我国模具标准化程度正在不断提高，估计目前我国模具标准件使用覆盖率已达到 30%左右。国外发达国家一般为 80%左右。 （ 6)优质材料及先进表面处理技术 选用优质钢材和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。模具热处理和表面处理是否能充分发挥模具钢材料性能的关键环节。模具热处理的发展方向是采用真空热处理。模具表面处理除完善应发展工艺先进的气相沉积 (TiN、 TiC 等 )、等离子喷涂等技术。
15、(7)模具研磨抛 光将自动化、智能化 模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响，研究自动化、智能化的研磨与抛光方法替代现有手工操作，以提高模具表面质量是重要的发展趋势。 (8)模具自动加工系统的发展 这是我国长远发展的目标。模具自动加工系统应有多台机床合理组合；配有随行定位夹具或定位盘；有完整的机具、刀具数控库；有完整的数控柔性同步系统；有质量监测控制系统。 1.5、本次设计的意义 本次设计一个简单的侧向冲孔单工序模。单工序模是指在一副模具中只完成一个工序。如落料模，冲孔模，弯曲模，拉深模。单工 序模具有以下优缺点： 1 冲压精度较底。 2 生产效率底，一次冲压只完成一道
16、冲压工序。 3 实现自动化可能性较容易，尤其适合在多工序压力机上实现自动化。 4 生产通用性好，适合中小批量及大型冲压零件冲制。 5 模具结构简单，制造周期短。 6 模具成本低。 7 在无自动送料机构条件下，需采取安全技术措施。 冲压工艺与模具设计的理论性和实用性均很强。从理论与实践相结合的角度来研究、探讨，并侧重加强工程实践能力这点应该得到重视。 本次毕业设计是一个重要的专业教学环节，这个教学环节的目的： （ 1）帮助学生具体运用和巩固模具设计与制造 课程及相关的理论知识，了解设计冲压模的一般程序。 （ 2）是使学生能够熟练地运用有关技术资料，如冷冲模国家标准、模具设计与制造简明手册、冷冲压
17、模具结构图册及其它有关规范等。 （ 3）训练学生初步设计冷冲压模具的能力，为以后的工作打下初步的基础。 调焦导向盘侧向冲孔模设计 6 第二章 冲压件工艺性分析及冲裁方案的确定 冲裁件的工艺性，是指冲裁件对冲裁工艺的适应性。一般情况下，对冲裁工艺性影响最大的是制件的结构形状、精度要求。形位公差及技术要求等。冲裁件的工艺性合理与否，直接影响到制件的质量、模具寿命、材料消 耗、生产率等设计中应尽可能提高其工艺性。良好的工艺性和合理的工艺方案，可以用最小的材料消耗，最少的工序数量和工时，稳定的获得符合要求的优质产品，并使模具结构简单，模具寿命提高，因而可以减少劳动量和冲裁成本。 2.1 材料分析 冲裁
18、材料为 15 钢。查文献 1：吴宗泽，罗圣国主编机械设计课程设计手册（第二版）（以下简称 “文献 1”） P25 表 2-7 优质碳素结构钢 （ GB699-88 摘录），该钢种是优质碳素结构 钢。含碳量为 0.12 0.19%，屈服点 s=225MPa ， 抗 拉 强 度 b=375MPa，延伸 率不小于 27，断面收缩率不小于 55，塑 性好，焊接性好，适合冲裁。其主要用于受力 不大韧性要求较高的零件、渗碳零件、紧固 件、冲模锻件及不需要热处理的底负荷零 件，如螺栓、螺钉、拉条、法兰盘及化工贮 器、蒸汽锅炉等。 图 2-1 材料分析图 2.2 冲裁件的结构工艺性 冲裁件的结构形状应尽可能简
19、单、对称、避免复杂形状的曲线，在许可的情况下，把冲裁件设计成少、无废料排样的形状，以减少废料，矩形孔两端宜用圆弧连接，以利于模具加工。 冲裁件各 直线或曲线的连接处，尽量避免锐角，严禁尖角如图 2-2。除在少、无废料排样或采用镶拼模结构时，都应有适当的圆角相连，以利于模具制造和提高模具寿命。该工件直线连接处是圆角，并非直角。故在此拟采用镶拼模结构，以利于模具制造和提高寿命。 图 2-2 冲裁件的结构 7 冲裁件凸出或凹进的部分不能太窄，尽可能避免过长的悬臂和窄槽，如图 2-3 所示。最小宽度 b 一般不小于 1.5t ，若冲裁材料为高碳钢， b 2t,Lmax 5b，当材料厚度 t1.55 2
20、.3 最小孔距（ mm） 3.1t 2t 4.6t 2t 在弯曲件或拉深件上冲孔时，为避免凸模受水平推力而折断，孔壁与工件直壁之间应保持一定距离，如图 2-5 示使 L R+0.5t。 图 2-5 弯曲件或拉深件冲孔位置 调焦导向盘侧向冲孔模设计 8 2.3 冲裁件尺寸精度和表面粗糙度要求 冲裁件的精度要求，应在经济精度的范围内，对于普通冲裁件，其经济精度不高于IT11 级，冲孔件比落料件高一级。冲裁外形与内孔尺寸公差有一定的要求。查文献 2P76表 2-21：冲孔外形公差为 0.03mm，内孔公差为 0.02mm， 2.4 冲裁件的尺寸基准 冲裁件的尺寸基准应尽可能和制模具时的定位基准重合，
21、以避免产生基准不重合误差。孔位尺寸基准应尽量选择在 冲裁过程中始终不参加变形的面上，切不要与参加变形的部位联系起来。如图 2-6， a)图尺寸不合理，图 b)的标注，两孔的孔心距才不会受磨损的影响，比较合理。本次设计的工件图标注符合这点要求，所以尺寸基准合理。 图 2-6 冲裁件的尺寸基准 2.5 冲裁件经济性分析 所谓经济性，就是以尽可能少的生产消费获得尽可能大的经济效益，在进行冲压工艺设计时，应该运用经济分析的方法找到降低成本，取得优异经济效果的 工艺途径。冲裁件的制造成本 C 总材工模 式中 C 材：材料费； C 工加工费 (工人工资、设备折旧费、管理费等 )； C 模：模具费。其它经费
22、只要在一定时间内，基本上也是不变的，因此，叫做固定费用 。 而材料费、外购件费等，将随生产量大小而变化，属可变费用 . 这样，产品制造成本由固定费用和可变费用两部分组成。设法降低固定费用或可变费用，都能使成本降低、利润增加并积累资金。 本设计所用的工件材料是 15 钢 ,属于常见钢种 ,价格便宜。由 此，可变费用将得到有效降低。 结论：材料经济性比较好。 2.6 冲裁方案的确定 工艺方案的内容是确定冲裁件的工艺路线，主要包括确定工序数、工序的组合和工序的顺序安排等，应在工艺分析的基础上制定几种可能的方案，再根据工件的批量、形状、尺寸等多方面的因素，全面考虑、综合分析，选取一个较为合理的方案。
23、冲裁工序按工序的组合程度可分为单工序冲裁、复合冲裁和级进冲裁。 复合冲裁是在压力机的一次行程中，在模具的同一位置同时完成两个或两个以上的工序；级进冲裁是把一个冲裁件的几个工序，排列成一定顺序，组成级进模，在 压力机的一次行程中，模具的不同位置同时完成两个或两个以上的工序，除最初几次冲程外，每次冲程都可完成一个冲裁件。该工件是半成品加工，只是冲孔一道工序，根据其工作时的方式有以下两个方案 9 方案一：采用靠模板与滑动销钉的相对运动来带动冲孔凸模的直线运动。 方案二：采用斜楔式滑块侧向冲孔 以上两个方案，方案一更能实现侧向冲孔，故采用方案一进行模具设计。 调焦导向盘侧向冲孔模设计 10 第三章 冲
24、裁工艺力的计算 3.1 冲裁力的计算 冲裁力计算包括冲裁力、卸料力、推件力、顶件 力的计算。 冲裁力是凸模与凹模相对运动使工件与板料分离的力，其大小主要与材料力学性能、厚度及冲裁件分离的轮廓长度等参数有关。冲裁力是设计模具、选择压力机的重要参数。计算冲裁力的目的是为了合理的选用冲压设备和设计模具。选用冲压设备的标称压力必须大于所计算的冲裁力，所设计的模具必须能传递和承受所计算的冲裁力，以适应冲裁的要求。 3.1.1冲压力的行程曲线 在冲裁过程中，冲裁力的大小是不段变化的，图 3-1为冲裁时冲裁力 -凸模行程曲线。图中 AB 段相当于冲裁的弹性阶段，凸模进入材料后，载荷急剧上升，但 当凸模刃口一
25、旦挤入材料，即进入塑性变形阶段，载荷的上升就缓慢下来，如 BC 段所示。虽然由于凸模挤入材料使承受冲裁力的材料面积秒 减小，但只要材料加工硬化的影响超过受剪切面积小的影响，冲裁力就继续上升，当两者达到相当的影响的瞬间，冲裁力达最大值，即图中 C点。此后，受剪面积的减少超过硬化的影响，于是冲裁力下降。凸模再继续下压，材料内部产生裂纹并迅速扩张，冲裁力急剧下降，如图中 CD 段所示，此为冲裁的断裂阶段。此后所用的力仅是克服摩擦阻力 ,推出已分离的料。 图 3-1 冲裁力 -凸模行程曲线 3.1.2冲裁力的计算公式 冲裁力的大小主要与材料力学性能、厚度及冲裁件分离的轮廓长度有关。考虑到成本和冲裁件的质量要求，此用平刃口模具冲裁，冲裁力 F（ N）： F=KLT 见文献 2P50 式（ 2-1） 式中 L 冲裁件周边长度（ mm）； t 材料厚度（ mm）； 材料抗剪强度（ MPa）； K 系数。考虑到模具刃口的磨损，模具间隙的波动，材料力学性能的变化及材料厚度偏差等因素，一般取系数 K=1.3。 冲裁件周边长度 L=1.6 3.14+2 0.9=6.82 材料的抗剪强度（ MPa）查文献 1P25 表 2-7：取 b=375 MPa 一般情况下，材料的 b=1.3
